一种适用于固态直流断路器的IGBT串联均压电路

进行了深入的研究。另外，为了使串联 IGBT 之间的关断过 电压的不一致性降到最小， 提出一种门极均压控制电路和相 应的控制方法。 实验结果表明， 通过使用提出的均压控制电 路和相应的控制方法， 串联 IGBT 关断过电压的不均衡得到 了有效抑制。因此，系统的可靠性得到了有效的提升。 关键词：高压直流输电；固态直流断路器；绝缘栅双极晶体 管；串联；均压
文章编号：0258-8013 (2016) 03-0656-08
一种适用于固态直流断路器的 IGBT 串联均压电路
张帆 1，杨旭 1，任宇 1，陈颖 1，苟锐锋 2
(1．西安交通大学电气工程学院，陕西省 西安市 710049； 2．西安西电电力系统有限公司，陕西省 西安市 710065)
Voltage Balancing Circuit for Series-connected IGBTs in Solid-state Breaker
基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (973 计 划 ) (2015CB251001，2015CB251004)。 The National Basic Research Program of China (973 Program) (2015CB251001, 2015CB251004).
656
第 36 卷 第 3 期 2016 年 2 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.36 No.3 Feb. 5, 2016 ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 89
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.03.008
1 固态直流断路器的拓扑结构
图 1 为固态直流断路器的拓扑结构图。图中包 一个限流电抗器(L) 括一个稳定的直流电压源(Vdc)， 以及固态直流断路器。 其中断路器部分由多个 IGBT 串联组成，且在串联 IGBT 的首尾两端须并联一只 避雷器(metal oxide varistors， MOV)来吸收短路过程
开断时间 Ibreaker Vbreaker Vdc t Iswitch Imov q2 q3
q1
图2
Idc
Idc
固态直流断路器的工作波形示意图
Fig. 2 Switching waveforms of a solid-state breaker
2 串联 IGBT 关断动态不均压因素分析
2.1 缓冲 + 钳位吸收电路 为了限制 IGBT 的电压上升率并保证 IGBT 之 间串联均压，每只 IGBT 两端需要并联一组 RCD 缓冲电路；另外，需要在断路器两端并联一只避雷 器以钳位断路器的关断过电压并吸收短路能量[2]。 图 3 给出了 RCD 缓冲 + 避雷器钳位吸收电路的等 效电路图及主要元件的关断电压、电流波形示意 图。需要指出的是：通常为了节约成本和空间，会 在几只(3~10 只)IGBT 两端并联一只总的避雷器， 图 3 中所示的避雷器(MOV)和杂散电感(Lstray)为总 的避雷器和杂散电感等效到其中一只 IGBT 两端的 等效电路图。 从图 3 中可以看出，整个 IGBT 两端电压上升 过程可分为 4 个阶段。阶段 I 为 IGBT 的关断延迟 时间，本阶段 IGBT 的输出电压电流均无变化；阶
0 引言
随着现代电力电子技术的飞速发展，高压直流 输电技术(high voltage direct current，HVDC)因其传 输容量、传输距离和经济效益方面的优势，越来越 得到广泛的关注。但是，与交流输电系统相比，缺 少安全可靠的直流断路器一直是制约高压直流输 电系统发展的一大障碍[1]。通常，直流断路器可以 分为机械式直流断路器、固态直流断路器以及机 械–固态混合式直流断路器。其中，机械式断路器 导通损耗小，但关断速度较慢；固态断路器由半导 体元件构成，关断速度很快，但导通损耗较大；由 瑞士 ABB 公司在 2011 年提出的机械–固态混合式 直流断路器[2]同时具备了机械式断路器导通损耗小 和固态断路器关断速度快的优点，又规避了它们各 自的缺陷，展现出了优越的性能。 在机械 – 固态混合式以及纯固态直流断路器 中，为了满足高电压关断能力(几 kV 到几百 kV)的 要求，其固态断路器部分通常由多个绝缘栅双极晶 体管(insulate gate bipolar transistor，IGBT)串联组 成。但是，一方面半导体元件的制作工艺无法保证 所有的 IGBT 的参数完全一致，另一方面 IGBT 开 关速度较快，通常在几个 μs(包括开通和关断延时
第3期
张帆等：一种适用于固态直流断路器的 IGBT 串联均压电路
Vbreaker Ibreaker L Vdc Iswitch Imov MOV 固态直流断路器
657
时间)， 因此要保证所有串联 IGBT 开关过程中的电 压均衡十分困难[3]，严重时会造成承受电压过高的 IGBT 因为过压而损坏。所以研究固态断路器中的 IGBT 串联均压技术很有必要。 目前，国内外对于 IGBT 串联均压技术已经进 行了较为深入的研究。现有的 IGBT 串联均压技术 主要分为三大类：有源门极控制技术、有源钳位技 术以及无源缓冲技术。 有源门极控制技术[4-8]属于闭 环控制，这种方法通过控制 IGBT 的门极电流来控 制 IGBT 的输出电压特性，通常成本较低，但是控 制电路较为复杂且存在闭环控制稳定性的问题。有 源钳位技术[9-12]可以将 IGBT 上承受的电压限制在 一个给定值，钳位电路结构简单且不会降低 IGBT 的开关速度，缺点是处于钳位状态的 IGBT 存在较 大的开关损耗。无源缓冲技术 [2,13-15]通过在 IGBT 的集电极和发射极之间并联无源器件以降低 IGBT 的电压变化率，从而达到 IGBT 串联电压均衡的目 的。这些方法各有其优缺点且可以配合起来使用以 达到更好的效果[16-18]。但是，现有对 IGBT 串联均 压的研究主要集中在高压的变流器等应用场合，针 对 IGBT 串联在固态断路器这种特定应用中存在的 问题并没有得到充分的研究。在固态直流断路器 中，多个 IGBT 被串联起来以承受断路器关断过程 中的瞬态过电压，并且要缓冲和吸收大量的短路能 量，因此，采用 RCD 无源缓冲电路是一种较为理 但是， 现有文献中对 RCD 缓冲电 想的均压方案[2]， 路在固态断路器中的工作机制以及由此引发的 IGBT 串联不均压因素并没有进行深入的讨论和研究。 本文首先对固态断路器的开断机理以及缓冲 + 钳位吸收电路的工作原理进行了描述和分析，在此 基础上进一步分析了固态断路器中引起 IGBT 串联 不均压的主要因素。针对这些不均压因素，本文提 出了一种适用于固态断路器的 IGBT 串联均压控制 电路及其控制方法。实验证明提出的控制电路及控 制方法可以有效地解决断路器关断过程中 IGBT 的 串联不均压问题。
ZHANG Fan1, YANG Xu1, REN Yu1, CHEN Ying1, GOU Ruifeng2
(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China; 2. Xi’an XD Power Systems Co., LTD, Xi’an 710065, Shaanxi Province, China) ABSTRACT: Hybrid or solid-state DC breakers offers new possibilities for development of a large scale high voltage direct current (HVDC) grid by simplifying the DC breaking process. Generally, series-connected insulate gate bipolar transistors (IGBTs) were implemented in solid-state DC breaker to withstand the turn-off overvoltage. However, the IGBTs are expensive devices that are highly sensitive to transient overvoltage, thus the voltage unbalancing among them during the turn-off transition need to be carefully concerned. This paper investigated the voltage unbalancing factors of the series-connected IGBTs in a solid-state DC breakers first. Aiming at synchronizing the voltage overshoot amplitude of the series-connected IGBTs during the circuit breaking, an active gate drive circuit and its corresponding voltage balancing technique were proposed. Experiment results show that, under the proposed voltage balancing circuit and voltage balancing control method, the peak voltage difference of the series-connected IGBTs during turn-off are effectively minimized. Therefore, the reliability of the circuit breaker is improved. KEY WORDS: high voltage direct current (HVDC); solid-state DC circuit breaker; insulate gate bipolar transistor (IGBT); series-connection; voltage balancing 摘要：机械–固态半导体混合式以及纯固态式直流断路器的 发明和使用为大规模高压直流输电系统的发展提供了新的 契机。 在纯固态直流断路器中， 通常将大功率绝缘栅双极晶 体管(insulate gate bipolar transistor，IGBT)串联起来以承受 断路器关断过程中的过电压。但是，由于大功率的 IGBT 价 格昂贵且对瞬态过电压十分敏感， 所以串联 IGBT 关断过程 中的均压问题需要得到充分的考虑。 为了解决固态直流断路 器中串联 IGBT 间的不均压问题， 首先对引起不均压的因素
658
L Iload IGBT RCD 缓冲 + 避雷 器钳位吸收电路 D R Lstray MOV IRCD IMOV t0 I t1 t2 II III Vpeak Vclamp
图1
固态直流断路器的拓扑结构图 an HVDC grid
Fig. 1 Representation of a solid-st形如图 2 所示。q1 时刻系统发生短路，随后短路电流开始迅速上升， 在限流电抗器的作用下，短路电流的上升率被限定 在一个定值。q2 时刻断路器开始关断，由于 IGBT 的关断速度很快，短路电流迅速从 IGBT 支路转移 到避雷器支路。这个短路电流在避雷器支路产生一 个大于直流侧电压的反电势，从而将短路电流强制 降到零。至 q3 时刻断路器完全关断。